组合式PXI和 NI CompactRIO应用于对开式泥驳船 的SEADP动态定 位系统

1、组合式PXI和 NI CompactRIO应用于对开式泥驳船 的SEADP动态定 位系统组合式PXI和 NI CompactRIO 平台执行实时数据采 集、信号处理、控制 算法，并与控制面板 和电子推进器进行交 互。- Miguel Taboada, Seaplace S.LThe Challenge:要求在倾倒作业中， 在六级风速 (25kN)、3m 高的长海浪和0.5 kN的海流条件下， 将 1000 m3 对开式泥驳船 (2500t排水 量)的位置控制并保 持在10m容差范围 内。The Solution:借助于组合式PXI 和NI CompactRIO 平台(该平台运行于 NI Lab

2、VIEW软件 平台)，进行实时数 据采集、信号处理和 控制算法，同时与控 制面板和电子推进器 进行交互。Author (s):Miguel Taboada - Seaplace S.L对开式泥驳船是一种 专门的船只，其主体 结构是两个铰接的半 船体。这两个半船体 构成了一种漏斗状结 构，由水力系统来打 开和关闭。该船在航 运作业中，用来运输 并倾倒材料，是大坝 建筑的基础。在倾倒操作中，船的 排水量会降低三分之 二，而受风面积会增 加一倍。这将导致 风、海流和海浪冲击 力迅速改变，从而使 泥驳船产生非预期的 偏移。所以在倾倒操 作中，可能会导致非 常昂贵的材料浪费。SEADP是一种动 态定位

3、(DP) 系统，专门用于在整 个倾倒过程中，操纵 对开式泥驳船并控制 泥驳船的位置和航 向。在倾倒中，该系 统逐渐靠近目标位 置，然后控制并保持 住位置和方向。系统描述我们采用PXI平台(具备NMEA协议 RS232和 RS422串行接 口)中的GPS、陀 螺仪、风速计、速度 记录和吃水传感器来 采集数据。采样率的 变化范围为从速度记 录的10s到差分全 球定位系统 (DGPS) 实时 运动 (RTK) 的10Hz。PXI 硬件还通过 RS232串行接 口，以75Hz的频 率对惯性运动单元 (IMU) 进行采 样。泥驳船的推进器 系统由三个推动设备 构成，能够以任意平 面角度施出大小可变 的力

4、。当功率为 2100kW时，推 动力为200kN。在我们的解决方案中 有两个 CompactRIO系统，它们与NI PXI实时控制器以 10Hz频率同步工 作(中断方式)。其 中一个系统完成与 SCHOTTEL横 向推力器的数字逻辑 接口、状态与方位角 推力方向信号的采 集、输出命令信号、 调整柴油发动机的风 门并按照方位角方向 推力。客户端/服务器 TCP结构采用触摸 屏显示器，进行信号 监测和用户输入。借 助LabVIEW，系统可以飞快地运 行。控制板总包含了所有 的指示器和按钮，从 而保证当控制计算机 和监测管理计算机之 间出现通信故障 时， 系统仍然可以 正常工作。另外，操 作人员可是

5、使用操纵 杆来手动控制泥驳船 的位置和航向。将天 线位置的GPS和 DGPS的三维定位 转移到泥驳船中心， 来控制泥驳船的摇 摆、倾斜和偏航角。 泥驳船的位置在通用 横向墨卡托投影 (UTM)坐标中给 出。风速计测量相对 速度和风向，将其作 为气动阻力模型的输 入，来估算除去阵风 以外的平均风力。IMU记录了泥驳船 重心处主轴线的旋转 速率和加速度。卡尔 曼滤波器计算摇摆幅 度和倾斜角，而陀螺 仪则计算偏航角或者 真实航向。我们使用 加速度时间序列的频 域处理方法，来提取 高频(HF)激增、 摇摆和偏航运动。我 们还使用递归最小方 差估计的方法，根据 摇摆角来计算因海浪 所引起的泥驳船运动 周

6、期。我们使用推进器设备 中的方位角和螺旋桨 精度传感器来估计作 用在泥驳船上的所有 力和动量。SEADP中，泥驳 船模型的SEADP 递归估计的起点是所 采取的吃水程序。我 们在非线性状态观察 器和LQR控制器中 采用一种具体的泥驳 船模型。状态观察器和控制器我们认为巨浪、风和 水流中的泥驳船运 动，是波浪频率的运动 (0.05 to 0.2 Hz)和由 波浪冲击所引起的低 频运动的叠加。实际 上，由于波浪运动是 由泥驳船的宽度力(weight magnitude force)导致 的，所以无法消除。 因为这些频率都落在 推进器设备的带宽 内，所以我们必须充 分地滤除波浪运动， 以避免船体过度

7、的磨 损。我们采用一种非线性 状态观察器来滤除波 浪运动。该状态观察 器由泥驳船运动的低 频(LF)模型、推 进器系统响应、波浪 运动和环境干扰的随 机模型等构成，从而 可以获得较平稳的低 频运动和船速估计。控制器则根据泥驳船 的低频运动、速度和 目标位置偏移，采用 线性二次型调节 (LQR)来计算力 和动量。反馈控制器 将最小化位置偏移和 功率/推进力的加权 积分。更进一步，实 时估计的风力将前 馈，以提高控制器的 性能。控制器手动/ 自动控制摇摆和偏航 运动，并控制纵向力 和横向力。我们必须 将动量定位在多个不 同推进设备的回转点 上，而这在 SEADP中则由在 线二次编程技术完 成。未来

8、SEADP开发我们将这项用于对开 式泥驳船的技术应用 到针对居住泥驳船 (accommodation barge)的 DP-1系统中。居 住泥驳船是一种停泊 在海上平台附近的水 上酒店。与前面的结 构类似，NI PXI实时控制器从 周围采集环境数据。 我们采用 CompactRIO 同步控制泥驳船的运 动。为了在这种对时 间要求比较严格的系 统中分配好控制，我 们增加了NI 9144 CompactRIO 扩展机箱，借助实时以太网与 PXI控制器同步通 信。远程I/O的高 度决定性，以及与 LabVIEW实时 软件的紧密集成，是 向系统中增加NI 9144的主要原 因。这种新型的分布 式控制结

9、构提高了系 统的可靠性与模块 性，同时降低了标准 以太网电缆的整体成 本。1/4SEADP解决了第 一层 (Class I) 的 DP的要 求，而推进设备或控 制器的任意故障都可 能导致位置信息丢 失。更高层 Class II和 Class III 的要求则涉及到物理 和逻辑方面的冗余， 以及一些特殊的应用 特征如在线单次故障 后果分析。我们期望 NI的硬件和软件能 够克服这些挑战。Author Information:Miguel TaboadaSeaplace S.LTel: 91 458 5119 mtaboadaseaplace. es2/43/4SeaDP 主窗口LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE S